DE102018218475B4 - Tracking system and optical measuring system for determining at least one spatial position and orientation of at least one measurement object - Google Patents
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Abstract
Optisches Messsystem (140) umfassend mindestens ein Trackingsystem (110) zur Bestimmung von mindestens einer räumlichen Position und Orientierung mindestens eines 3D-Messgeräts (114), wobei das Optische Messsystem (140) mindestens ein 3D-Messgerät (114) umfasst, wobei das Trackingsystem (110) mindestens drei Kameras (116) umfasst, wobei die Kameras (116) jeweils an verschiedenen räumlichen Positionen angeordnet sind, wobei die Kameras (116) jeweils mindestens zwei Farb-Subsysteme (128) aufweisen, wobei die Farb-Subsysteme (128) jeweils mindestens einen Bandpassfilter aufweisen, wobei die Bandpassfilter der Farb-Subsysteme (128) der jeweiligen Kamera (116) jeweils verschiedene Durchlassbereiche aufweisen, wobei das Trackingsystem (110) mindestens eine Auswerteeinheit (136) aufweist, welche eingerichtet ist, die Messsignale der Farb-Subsysteme (128) parallel auszuwerten und die Position und Orientierung des Messgeräts (114) zu bestimmen, und wobei die Auswerteeinheit (136) eingerichtet ist, in den Bereichen, in welchen sich Messvolumina der Farb-Subsysteme (128) überlappen, Messergebnisse per Linearkombination zu konsolidieren, wobei das 3D-Messgerät (114) eingerichtet ist, 3D-Koordinaten eines zu vermessenden Objekts zu bestimmen, wobei das 3D-Messgerät (114) mindestens eine Beleuchtungsvorrichtung aufweist, welche eingerichtet ist, eine Mehrzahl von Markern (142) auf einer Oberfläche des 3D-Messgeräts (114) zu erzeugen, wobei mindestens zwei der Marker (142) verschiedene Wellenlängen aufweisen, wobei die Wellenlängen jeweils in einem Durchlassbereich eines der Bandpassfilter liegen, wobei eine Helligkeit und/oder Größe der Marker (142) an ein Messfeld des jeweiligen Farb-Subsystems (128) anpassbar ist.Optical measuring system (140) comprising at least one tracking system (110) for determining at least one spatial position and orientation of at least one 3D measuring device (114), wherein the optical measuring system (140) comprises at least one 3D measuring device (114), the tracking system (110) comprises at least three cameras (116), the cameras (116) each being arranged at different spatial positions, the cameras (116) each having at least two color subsystems (128), the color subsystems (128) each have at least one bandpass filter, the bandpass filters of the color subsystems (128) of the respective camera (116) each having different transmission ranges, the tracking system (110) having at least one evaluation unit (136) which is set up to measure the measurement signals of the color evaluate subsystems (128) in parallel and to determine the position and orientation of the measuring device (114), and wherein the evaluation unit (136) is set up i st, in the areas in which the measurement volumes of the color subsystems (128) overlap, to consolidate measurement results using linear combinations, the 3D measurement device (114) being set up to determine 3D coordinates of an object to be measured, the 3D Measuring device (114) has at least one lighting device which is set up to generate a plurality of markers (142) on a surface of the 3D measuring device (114), with at least two of the markers (142) having different wavelengths, with the wavelengths each in a passband of one of the bandpass filters, wherein a brightness and/or size of the markers (142) can be adapted to a measuring field of the respective color subsystem (128).
Description
Gebiet der Erfindungfield of invention
Die Erfindung betrifft ein optisches Messsystem mit einem Trackingsystem zur Bestimmung mindestens einer räumlichen Position und Orientierung mindestens eines Messobjekts. Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere das Gebiet der Koordinatenmesstechnik zur Vermessung von großvolumigen Bauteilen.The invention relates to an optical measurement system with a tracking system for determining at least one spatial position and orientation of at least one measurement object. The present invention relates in particular to the field of coordinate metrology for measuring large-volume components.
Stand der TechnikState of the art
Auf dem Gebiet der Vermessung von großvolumigen Bauteilen wird üblicherweise mittels eines handgeführten oder robotergeführten Scanners oder Tasters das Bauteil abgetastet und eine Position und Ausrichtung des Scanners oder Tasters wird mittels eines optischen oder mechanischen Trackers bestimmt. Beispielsweise bekannt sind optische Tracker der Firma ZEISS, insbesondere die optischen Tracker T-TRACK CS+ und T-TRACK LV.In the field of measuring large-volume components, the component is usually scanned using a hand-held or robot-controlled scanner or probe, and a position and alignment of the scanner or probe is determined using an optical or mechanical tracker. Optical trackers from the company ZEISS are known, for example, in particular the optical trackers T-TRACK CS+ and T-TRACK LV.
Weiter bekannt sind Vermessungsverfahren, bei welchen mit einem Messkopf eines Sensors ein Bauteil abgetastet wird und eine Position und Ausrichtung des Messkopfes in einem Messvolumen mittels einer Abstandsmessvorrichtung und einer zusätzlichen Winkelmessvorrichtung erfolgt. Derartige Vorrichtungen erlauben eine hohe Genauigkeit, jedoch ist die Herstellung derartiger Vorrichtungen mit einer gewünschten hohen Genauigkeit aufwendig und führt zu hohen Kosten.Also known are measurement methods in which a component is scanned with a measuring head of a sensor and the position and alignment of the measuring head in a measuring volume is carried out by means of a distance measuring device and an additional angle measuring device. Devices of this type permit a high degree of accuracy, but the production of such devices with the desired high degree of accuracy is complex and leads to high costs.
Aufgabe der Erfindungobject of the invention
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Trackingsystem und ein optisches Messsystem zur Bestimmung von mindestens einer räumlichen Position und Orientierung mindestens eines Messobjekts bereitzustellen, welche die Nachteile bekannter Vorrichtungen und Verfahren zumindest weitgehend vermeiden. Insbesondere soll eine Bestimmung von mindestens einer räumlichen Position und Orientierung mindestens eines Messobjekts mit geringen Herstellungskosten, einer hohen Genauigkeit und geringerer Komplexität erfolgen.It is therefore the object of the present invention to provide a tracking system and an optical measurement system for determining at least one spatial position and orientation of at least one measurement object, which at least largely avoid the disadvantages of known devices and methods. In particular, at least one spatial position and orientation of at least one measurement object should be determined with low production costs, high accuracy and less complexity.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of Invention
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein optisches Messsystem mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs. Bevorzugte Ausgestaltungen, welche einzeln oder in Kombination realisierbar sind, sind in den abhängigen Ansprüchen dargestellt.This problem is solved by an optical measuring system with the features of the independent patent claim. Preferred configurations, which can be realized individually or in combination, are presented in the dependent claims.
Im Folgenden werden die Begriffe „haben“, „aufweisen“, „umfassen“ oder „einschließen“ oder beliebige grammatikalische Abweichungen davon in nicht-ausschließlicher Weise verwendet. Dementsprechend können sich diese Begriffe sowohl auf Situationen beziehen, in welchen, neben dem durch diese Begriffe eingeführten Merkmal, keine weiteren Merkmale vorhanden sind, oder auf Situationen, in welchen ein oder mehrere weitere Merkmale vorhanden sind. Beispielsweise kann sich der Ausdruck „A hat B“, „A weist B auf, „A umfasst B“ oder „A schließt B ein“ sowohl auf die Situation beziehen, in welcher, abgesehen von B, kein weiteres Element in A vorhanden ist (d.h. auf eine Situation, in welcher A ausschließlich aus B besteht) als auch auf die Situation, in welcher, zusätzlich zu B, ein oder mehrere weitere Elemente in A vorhanden sind, beispielsweise Element C, Elemente C und D oder sogar weitere Elemente.In the following, the terms "have", "have", "comprise" or "include" or any grammatical deviations thereof are used in a non-exclusive manner. Accordingly, these terms can refer both to situations in which, apart from the feature introduced by these terms, no further features are present, or to situations in which one or more further features are present. For example, the phrase "A has B," "A has B," "A includes B," or "A includes B" can both refer to the situation in which, apart from B, there is no other element in A ( ie to a situation in which A consists exclusively of B) as well as to the situation in which, in addition to B, there are one or more other elements in A, e.g. element C, elements C and D or even further elements.
Weiterhin wird darauf hingewiesen, dass die Begriffe „mindestens ein“ und „ein oder mehrere“ sowie grammatikalische Abwandlungen dieser Begriffe oder ähnliche Begriffe, wenn diese in Zusammenhang mit einem oder mehreren Elementen oder Merkmalen verwendet werden und ausdrücken sollen, dass das Element oder Merkmal einfach oder mehrfach vorgesehen sein kann, in der Regel lediglich einmalig verwendet werden, beispielsweise bei der erstmaligen Einführung des Merkmals oder Elementes. Bei einer nachfolgenden erneuten Erwähnung des Merkmals oder Elementes wird der entsprechende Begriff „mindestens ein“ oder „ein oder mehrere“ in der Regel nicht mehr verwendet, ohne Einschränkung der Möglichkeit, dass das Merkmal oder Element einfach oder mehrfach vorgesehen sein kann.Furthermore, it is pointed out that the terms "at least one" and "one or more" as well as grammatical variations of these terms or similar terms when used in connection with one or more elements or features and are intended to express that the element or feature is simple or can be provided several times, are usually only used once, for example when the feature or element is introduced for the first time. If the feature or element is subsequently mentioned again, the corresponding term “at least one” or “one or more” is usually no longer used, without restricting the possibility that the feature or element can be provided once or more than once.
Weiterhin werden im Folgenden die Begriffe „vorzugsweise“, „insbesondere“, „beispielsweise“ oder ähnliche Begriffe in Verbindung mit optionalen Merkmalen verwendet, ohne dass alternative Ausführungsformen hierdurch beschränkt werden. So sind Merkmale, welche durch diese Begriffe eingeleitet werden, optionale Merkmale, und es ist nicht beabsichtigt, durch diese Merkmale den Schutzumfang der Ansprüche und insbesondere der unabhängigen Ansprüche einzuschränken. So kann die Erfindung, wie der Fachmann erkennen wird, auch unter Verwendung anderer Ausgestaltungen durchgeführt werden. In ähnlicher Weise werden Merkmale, welche durch „in einer Ausführungsform der Erfindung“ oder durch „in einem Ausführungsbeispiel der Erfindung“ eingeleitet werden, als optionale Merkmale verstanden, ohne dass hierdurch alternative Ausgestaltungen oder der Schutzumfang der unabhängigen Ansprüche eingeschränkt werden soll. Weiterhin sollen durch diese einleitenden Ausdrücke sämtliche Möglichkeiten, die hierdurch eingeleiteten Merkmale mit anderen Merkmalen zu kombinieren, seien es optionale oder nicht-optionale Merkmale, unangetastet bleiben.Furthermore, the terms “preferably”, “particularly”, “for example” or similar terms are used below in connection with optional features, without alternative embodiments being restricted thereby. Thus, features introduced by these terms are optional features and are not intended to limit the scope of the claims, and in particular the independent claims, by these features. Thus, as will be appreciated by those skilled in the art, the invention may be practiced using other configurations. Similarly, features introduced by "in an embodiment of the invention" or by "in an exemplary embodiment of the invention" are understood as optional features without intending to limit alternative configurations or the scope of the independent claims. Furthermore, through these introductory expressions, all possibilities to combine the features introduced here with other features, be they optional or non-optional features, remain untouched.
In einem ersten Aspekt der vorliegenden Beschreibung wird ein Trackingsystem zur Bestimmung von mindestens einer räumlichen Position und Orientierung mindestens eines Messobjekts vorgeschlagen.In a first aspect of the present description, a tracking system for determining at least one spatial position and orientation of at least one measurement object is proposed.
Unter einem „System“ kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung verstanden werden, welche mindestens zwei Elemente umfasst, insbesondere eine Mehrzahl von Elementen. Die Elemente des Systems können reversibel oder fest miteinander verbunden sein. Die Elemente des Systems können insbesondere zusammenwirken. Unter einem Trackingsystem kann eine Vorrichtung verstanden werden, welche eingerichtet ist, eine räumliche Position und Orientierung des Messobjekts zu bestimmen, insbesondere nachzuverfolgen. Das Trackingsystem kann eingerichtet sein, das Messobjekt zu tracken. Unter „tracken“ kann eine Nachverfolgung einer Bewegung des Messobjekts zu verschiedenen Zeitpunkten verstanden werden.In the context of the present invention, a “system” can be understood to mean a device which comprises at least two elements, in particular a plurality of elements. The elements of the system can be reversible or permanently connected to each other. In particular, the elements of the system can interact. A tracking system can be understood as a device that is set up to determine, in particular to track, a spatial position and orientation of the measurement object. The tracking system can be set up to track the measurement object. "Tracking" can be understood as following a movement of the measurement object at different points in time.
Die Bestimmung der räumlichen Position und der Orientierung kann in einem Koordinatensystem erfolgen, beispielsweise in einem kartesischen Koordinatensystem oder in einem Kugelkoordinatensystem. Auch andere Koordinatensysteme sind denkbar. Ein Ursprung oder Nullpunkt des Koordinatensystems kann in einem Punkt der Vorrichtung sein. Unter einer räumlichen Position kann ein dreidimensionaler Punkt (X, Y, Z) in dem Koordinatensystem verstanden werden, insbesondere eine Lage des Messobjekts. Unter einer Orientierung kann eine Ausrichtung des Messobjekts verstanden werden, insbesondere eine Rotation im Messvolumen. Die Orientierung kann durch mindestens drei Winkel angegeben werden, beispielsweise Eulerwinkel oder Neigungswinkel, Rollwinkel und Gierwinkel.The spatial position and the orientation can be determined in a coordinate system, for example in a Cartesian coordinate system or in a spherical coordinate system. Other coordinate systems are also conceivable. An origin or zero point of the coordinate system can be in a point of the device. A spatial position can be understood as a three-dimensional point (X, Y, Z) in the coordinate system, in particular a position of the measurement object. An orientation can be understood as an alignment of the measurement object, in particular a rotation in the measurement volume. The orientation can be specified by at least three angles, for example Euler angles or pitch angles, roll angles and yaw angles.
Unter einem Messobjekt kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein beliebig geformtes, zu vermessendes, insbesondere zu trackendes, Objekt verstanden werden. Das Messobjekt ist ein 3D-Messgerät, beispielsweise ein handgeführter Scanner oder ein handgeführter Taster, mit welchem ein Bauteil abgetastet werden kann. Beispielsweise kann das 3D-Messgerät ein Handscanner sein, beispielsweise ein Handscanner erhältlich unter T-SCAN von ZEISS. Beispielsweise kann das 3D-Messgerät ein Taster sein, beispielsweise ein Taster erhältlich unter T-POINT von ZEISS. Alternativ sind Ausführungsformen denkbar, in welchen das Messobjekt selbst vollkommen passiv sein kann.Within the scope of the present invention, a measurement object can be understood as an object of any shape that is to be measured, in particular to be tracked. The measurement object is a 3D measuring device, for example a hand-held scanner or a hand-held probe, with which a component can be scanned. For example, the 3D measuring device can be a hand-held scanner, for example a hand-held scanner available under T-SCAN from ZEISS. For example, the 3D measuring device can be a probe, for example a probe available under T-POINT from ZEISS. Alternatively, embodiments are conceivable in which the measurement object itself can be completely passive.
Das Messobjekt, insbesondere das 3D-Messgerät, weist eine Mehrzahl von Markern auf. Das Messobjekt kann mindestens drei Marker aufweisen. Das Messobjekt kann vier, fünf, sechs oder mehr als zehn Marker, beispielsweise 35 Marker oder mehr, aufweisen. Die Marker können als aktive Marker ausgestaltet sein, welche eingerichtet sind, einen Lichtstrahl zu emittieren. Das Messobjekt, insbesondere das 3D-Messgerät, weist mindestens eine Beleuchtungsvorrichtung auf, welche eingerichtet ist, die Mehrzahl von Markern auf einer Oberfläche des Messobjekts zu erzeugen. Die Beleuchtungsvorrichtung kann mindestens eine Lichtquelle aufweisen. Jeder Marker kann eine Beleuchtungsvorrichtung aufweisen, beispielsweise mindestens eine LED. Die Marker können kontinuierlich oder diskontinuierlich einen Lichtstrahl emittieren. Beispielsweise können die Marker eingerichtet sein, den Lichtstrahl in einer vorbestimmbaren oder vorgegebenen Frequenz zu emittieren. Die Beleuchtungsvorrichtung kann eine Modulationsvorrichtung aufweisen, welche eingerichtet ist, den von der Lichtquelle erzeugten Lichtstrahl mit mindestens einer Modulationsfrequenz zu versehen. Die von den Markern emittierten Lichtstrahlen weisen verschiedene Wellenlängen auf. Insbesondere können die emittierten Lichtstrahlen Wellenlängen im nahen Infrarot-Bereich aufweisen. So kann ermöglicht werden, dass das menschliche Auge nicht durch sichtbare Lichtblitze irritiert wird. Alternativ oder zusätzlich kann das Messobjekt, insbesondere das 3D-Messgerät, Retroreflektoren oder sonstige Marker aufweisen, beispielsweise mindestens drei Retroreflektoren. Das Messobjekt kann von einer externen Lichtquelle beleuchtet werden, beispielsweise einer Lichtquelle des Trackers. Unter einem Retroreflektor kann eine Vorrichtung verstanden werden, welche einen eintreffenden Lichtstrahl reflektiert. Beispielsweise kann der Retroreflektor ein Marker sein. Beispielsweise kann der Retroreflektor ausgewählt sein aus der Gruppe bestehend aus: einem Katzenauge, Kugellinsen mit Reflexionsschicht, einem Marker beschrieben in
Das Trackingsystem kann eingerichtet sein, genau ein Messobjekt mit Markern verschiedener Wellenlängen nachzuverfolgen. Das Trackingsystem kann eingerichtet sein, ein Farb-Multiplexing durchzuführen. Unter „Farb-Multiplexing“ kann ein Nachverfolgen eines Messobjekts verstanden werden, in welchem das Messobjekt Marker aufweist, welche Licht in verschiedenen Wellenlängen aussenden.The tracking system can be set up to precisely track a measurement object with markers of different wavelengths. The tracking system can be set up to carry out color multiplexing. “Color multiplexing” can be understood as tracking a measurement object in which the measurement object has markers that emit light in different wavelengths.
Das Trackingsystem kann eingerichtet sein, mehrere Messobjekte parallel nachzuverfolgen. Beispielsweise kann jedes der Messobjekte Marker mit nur einer Wellenlänge aufweisen, wobei sich die Wellenlängen der Messobjekte unterscheiden. Die Messobjekte werden dann über die Farbe der Marker unterschieden. So können z. B. zwei Scanner und/oder Taster gleichzeitig benutzt werden.The tracking system can be set up to track several measurement objects in parallel. For example, each of the measurement objects can have markers with only one wavelength, with the wavelengths of the measurement objects being different. The measurement objects are then distinguished by the color of the markers. So e.g. B. two scanners and / or buttons can be used simultaneously.
Unter einer „Beleuchtungsvorrichtung“ kann eine Vorrichtung verstanden werden, welche eingerichtet ist, einen Lichtstrahl zu erzeugen. Unter „Licht“ kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung elektromagnetische Strahlung in mindestens einem Spektralbereich ausgewählt aus dem sichtbaren Spektralbereich, dem ultravioletten Spektralbereich und dem infraroten Spektralbereich verstanden werden. Der Begriff sichtbarer Spektralbereich umfasst grundsätzlich einen Bereich von 380 nm bis 780 nm. Der Begriff infraroter (IR) Spektralbereich umfasst grundsätzlich einen Bereich von 780 nm bis 1000 µm, wobei der Bereich von 780 nm bis 1.4 µm als nahes Infrarot (NIR), und der Bereich von 15 µm bis 1000 µm als fernes Infrarot (FIR) bezeichnet wird. Der Begriff ultraviolett umfasst grundsätzlich einen Spektralbereich von 100 nm bis 380 nm. Bevorzugt wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung IR-Licht, also Licht aus dem Infrarot-Spektralbereich, verwendet. Unter dem Begriff „Lichtstrahl“ kann grundsätzlich eine Lichtmenge verstanden werden, welche in eine bestimmte Richtung emittiert und/oder ausgesandt wird.A “lighting device” can be understood to mean a device that is set up to generate a light beam. In the context of the present invention, “light” can be understood to mean electromagnetic radiation in at least one spectral range selected from the visible spectral range, the ultraviolet spectral range and the infrared spectral range. The term visible spectral range basically covers a range from 380 nm to 780 nm. The term infrared (IR) spectral range basically covers a range from 780 nm to 1000 µm, with the range from 780 nm to 1.4 µm being referred to as near infrared (NIR), and the range from 15 µm to 1000 µm is called far infrared (FIR). The term ultraviolet basically encompasses a spectral range from 100 nm to 380 nm. IR light, ie light from the infrared spectral range, is preferably used within the scope of the present invention. In principle, the term “light beam” can be understood to mean a quantity of light which is emitted and/or sent out in a specific direction.
Das Trackingsystem umfasst mindestens drei Kameras. Die Kameras sind jeweils an verschiedenen räumlichen Positionen angeordnet. Die Kameras weisen jeweils mindestens zwei Farb-Subsysteme auf. Die Farb-Subsysteme weisen jeweils mindestens einen Bandpassfilter auf. Die Bandpassfilter der Farb-Subsysteme der jeweiligen Kamera weisen jeweils verschiedene Durchlassbereiche auf.The tracking system includes at least three cameras. The cameras are each arranged at different spatial positions. The cameras each have at least two color subsystems. The color subsystems each have at least one bandpass filter. The bandpass filters of the color subsystems of the respective camera each have different passbands.
Das Trackingsystem umfasst mindestens drei Kameras. Die Kameras können beispielsweise Zeilenkameras und/oder Flächenkameras umfassen. Unter einer „Zeilenkamera“ kann eine Kamera verstanden werden, welche eine lichtempfindliche Zeile, insbesondere einen Zeilensensor, aufweist. Beispielsweise können die Zeilenkameras jeweils eine Mehrzahl von Pixeln aufweisen, welche in einer Zeile angeordnet sind. Die Zeilenkameras können beispielsweise CCD-Sensoren oder CMOS-Sensoren aufweisen. Das Trackingsystem kann eine Mehrzahl von Zeilenkameras aufweisen, beispielsweise drei, vier, fünf, sechs, sieben, acht oder auch mehr als zehn Zeilenkameras. Durch eine Verwendung von günstigen Zeilenkameras kann eine kostengünstige Herstellung des Trackingsystems ermöglicht werden. Durch eine Verwendung von mindestens drei Zeilenkameras kann eine Erhöhung der Genauigkeit und Robustheit der Bestimmung der Position und Orientierung des Messobjekts bei ansonsten gleicher Trackingfrequenz ermöglicht werden.The tracking system includes at least three cameras. The cameras can include line cameras and/or area cameras, for example. A “line camera” can be understood to mean a camera which has a light-sensitive line, in particular a line sensor. For example, the line cameras can each have a plurality of pixels which are arranged in a line. The line cameras can have CCD sensors or CMOS sensors, for example. The tracking system can have a plurality of line cameras, for example three, four, five, six, seven, eight or more than ten line cameras. A cost-effective production of the tracking system can be made possible by using inexpensive line scan cameras. By using at least three line scan cameras, it is possible to increase the accuracy and robustness of the determination of the position and orientation of the measurement object, with the tracking frequency otherwise remaining the same.
Die Kameras sind jeweils an verschiedenen räumlichen Positionen angeordnet. Beispielsweise können die Kameras in einem festen Abstand zueinander angeordnet sein. Durch die Positionierung der Kameras an verschiedenen räumlichen Positionen kann eine Bestimmung von 3D-Koordinaten der Marker durch Triangulation erfolgen. Die Orientierung des Messobjekts kann aus der Position der Marker bestimmt werden. Die Anordnung der Marker zueinander kann vorgegeben und/oder vorbekannt und/oder vorbestimmt sein, beispielsweise kalibriert sein. Durch eine Verwendung von mehr als drei Kameras kann bei der Berechnung der 3D-Koordinaten der Marker ein überbestimmtes Gleichungssystem entstehen, welches über Ausgleichsmethoden inklusive optionaler Gewichtung gelöst werden kann. Ausgleichsmethoden und Verfahren zur Gewichtung sind dem Fachmann bekannt. Bei beispielsweise N Kameras verringert sich ein Grundrauschen proportional zum Variationskoeffizienten 1/√N. Aufgrund der Überbestimmtheit bzw. Redundanz können in einzelnen Kameras verdeckte oder nicht dekodierbare Marker dennoch mittels Triangulation ausgewertet werden. Die Kameras können in einer Ebene angeordnet sein. Die Kameras können in Bezug auf eine optische Achse des Trackingsystems relativ zueinander verdreht sein. Die Kameras können relativ zueinander in beliebigen Winkeln um die optische Achse angeordnet sein. Beispielsweise können die Kameras in gleichen Abständen in einem Vollkreis um die optische Achse angeordnet sein. Beispielsweise kann, bei einer Verwendung von Zeilenkameras, das Trackingsystem zwei horizontale Kameras aufweisen, deren lichtempfindliche Zeile im Wesentlichen waagerecht ausgerichtet ist. Unter im Wesentlichen waagerecht kann eine waagerechte Ausrichtung verstanden werden, wobei Abweichungen von weniger als 5°, bevorzugt weniger als 2° und besonders bevorzugt von weniger als 1° von einer Waagerechten möglich sind. Bei einer Verwendung von Zeilenkameras kann das Trackingsystem beispielsweise zwei vertikale Kameras aufweisen, deren lichtempfindliche Zeile im Wesentlichen senkrecht ausgerichtet ist. Unter im Wesentlichen senkrecht kann eine senkrechte Ausrichtung verstanden werden, wobei Abweichungen von weniger als 5°, bevorzugt weniger als 2° und besonders bevorzugt von weniger als 1° von einer Senkrechten möglich sind. Beispielsweise kann das Trackingsystem mindestens zwei Messarme aufweisen, wobei ein erster, horizontaler Messarm die horizontalen Zeilenkameras aufweist und ein zweiter, vertikaler Messarm die vertikalen Zeilenkameras aufweist. Das Trackingsystem kann, insbesondere zusätzlich zu den horizontalen und vertikalen Zeilenkameras, weitere Zeilenkameras aufweisen. So kann das Trackingsystem beispielsweise eine Mehrzahl von Zeilenkameras aufweisen, beispielsweise acht Zeilenkameras. Das Trackingsystem kann beispielsweise eine ringförmige Fläche aufweisen, auf welcher die Kameras in gleichen oder in verschiedenen Abständen in einem Kreis um einen gemeinsamen Kreismittelpunkt angeordnet sind. Auch andere Ausgestaltungen sind jedoch denkbar. Bei derartigen Anordnungen kann ein Bias durch Bevorzugung einer bestimmten Raumrichtung vermieden werden.The cameras are each arranged at different spatial positions. For example, the cameras can be arranged at a fixed distance from one another. By positioning the cameras at different spatial positions, the 3D coordinates of the markers can be determined by triangulation. The orientation of the measurement object can be determined from the position of the markers. The arrangement of the markers relative to each other can be specified and/or already known and/or predetermined, for example calibrated. Using more than three cameras can result in an overdetermined system of equations when calculating the 3D coordinates of the markers, which can be solved using compensation methods including optional weighting. Balancing methods and methods for weighting are known to those skilled in the art. For example, with N cameras, a noise floor decreases proportionally to the coefficient of variation 1/√N. Due to the overdetermination or redundancy, hidden or non-decodable markers in individual cameras can still be identified using Triangu lation are evaluated. The cameras can be arranged in one plane. The cameras can be rotated relative to one another in relation to an optical axis of the tracking system. The cameras can be arranged at any angle relative to one another around the optical axis. For example, the cameras can be arranged at equal intervals in a full circle around the optical axis. For example, when using line cameras, the tracking system can have two horizontal cameras whose light-sensitive line is aligned essentially horizontally. Substantially horizontally can be understood to mean a horizontal orientation, with deviations of less than 5°, preferably less than 2° and particularly preferably less than 1° from a horizontal line being possible. When line cameras are used, the tracking system can have two vertical cameras, for example, whose light-sensitive line is aligned essentially vertically. Substantially perpendicular can be understood as meaning a perpendicular orientation, deviations of less than 5°, preferably less than 2° and particularly preferably less than 1° from a perpendicular being possible. For example, the tracking system can have at least two measuring arms, with a first, horizontal measuring arm having the horizontal line cameras and a second, vertical measuring arm having the vertical line cameras. The tracking system can have further line cameras, in particular in addition to the horizontal and vertical line cameras. For example, the tracking system can have a plurality of line cameras, for example eight line cameras. The tracking system can, for example, have an annular surface on which the cameras are arranged at equal or different distances in a circle around a common circle center. However, other configurations are also conceivable. In such arrangements, a bias can be avoided by preferring a specific spatial direction.
Die Kameras weisen jeweils mindestens zwei Farb-Subsysteme auf. Beispielsweise kann jede Kamera mindestens drei, vier oder mehr Farb-Subsysteme mit jeweils einem Bandpassfilter mit jeweils verschiedenem Durchlassbereich aufweisen. Unter einem „Farb-Subsystem“ kann ein Bereich, beispielsweise ein Teilbereich, oder ein Teil der Kamera verstanden werden, welcher sensitiv für eine bestimmte Wellenlänge oder einen bestimmten Wellenlängenbereich ist. Eine Kamera kann auch vollständig aus nur einem Farb-Subsystem bestehen. Beispielsweise kann ein Farb-Subsystem eine Anzahl von Pixeln der jeweiligen Kamera umfassen. Die verschiedenen Farb-Subsysteme einer Kamera können dabei gleiche oder verschiedene Anzahlen von Pixeln aufweisen. Jedes Farb-Subsystem weist mindestens einen Bandpassfilter auf. Unter einem Bandpassfilter kann ein Filter verstanden werden, welcher nur Licht eines bestimmten Wellenlängenbereichs, dem so genannten Durchlassbereich, durchlässt. Der Bandpassfilter kann eingerichtet sein, Wellenlängen außerhalb des Durchlassbereiches zu unterdrücken, insbesondere zu sperren oder zumindest abzuschwächen. Die Bandpassfilter der Farb-Subsysteme der jeweiligen Kamera weisen jeweils verschiedene Durchlassbereiche auf. Die Kameras können jeweils Subsysteme aufweisen, welche in verschiedenen Wellenlängenbereichen arbeiten. Beispielsweise kann jede Kamera mindestens ein erstes Farb-Subsystem und mindestens ein zweites Farb-Subsystem aufweisen, wobei der Bandpassfilter des ersten Farb-Subsystems eingerichtet ist, Licht einer ersten Wellenlänge durchzulassen und wobei der Bandpassfilter des zweiten Farb-Subsystems eingerichtet ist, Licht einer zweiten Wellenlänge durchzulassen, wobei die erste und die zweite Wellenlänge verschieden sind. Die Bandpassfilter können einen Durchlassbereich im nahen Infrarot-Bereich aufweisen. Beispielsweise können die erste und die zweite Wellenlänge Wellenlängen im nahen Infrarot-Bereich sein.The cameras each have at least two color subsystems. For example, each camera can have at least three, four or more color subsystems, each with a bandpass filter with a different transmission range. A "color subsystem" can be understood to mean an area, for example a partial area, or a part of the camera, which is sensitive to a specific wavelength or a specific wavelength range. A camera can also consist entirely of just one color subsystem. For example, a color subsystem can include a number of pixels of the respective camera. The different color subsystems of a camera can have the same or different numbers of pixels. Each color subsystem has at least one bandpass filter. A bandpass filter can be understood to mean a filter which only lets through light of a specific wavelength range, the so-called transmission range. The bandpass filter can be set up to suppress, in particular to block or at least attenuate, wavelengths outside the passband. The bandpass filters of the color subsystems of the respective camera each have different passbands. The cameras can each have subsystems that work in different wavelength ranges. For example, each camera can have at least a first color subsystem and at least a second color subsystem, the bandpass filter of the first color subsystem being set up to let through light of a first wavelength and the bandpass filter of the second color subsystem being set up to let light of a second wavelength Pass wavelength, wherein the first and second wavelength are different. The bandpass filters may have a passband in the near-infrared range. For example, the first and second wavelengths may be near-infrared wavelengths.
Die Farb-Subsysteme können jeweils eingerichtet sein, um in Antwort auf eine Beleuchtung des jeweiligen Farb-Subsystems durch mindestens einen von dem jeweiligen Bandpassfilter durchgelassenen und sich von dem Messobjekt zu dem Trackingsystem ausbreitenden Lichtstrahl mindestens ein Messsignal zu erzeugen. Unter einem „Messsignal“ kann ein elektronisches Signal verstanden werden. Das Messsignal kann abhängig von der einfallenden Intensität sein. Das Messsignal kann beispielsweise ein elektrischer Strom und/oder eine elektrische Spannung sein. Das Messsignal kann ein kontinuierliches oder diskontinuierliches Signal sein. Ferner kann das Messsignal ein analoges Signal oder ein digitales Signal sein. Die Farb-Subsysteme einer Kamera können unabhängig voneinander das mindestens eine Messsignal erzeugen. Die Farb-Subsysteme der jeweiligen Kamera können eingerichtet sein, parallel, insbesondere gleichzeitig oder zeitlich überlappend, Messsignale zu erzeugen.The color subsystems can each be set up to generate at least one measurement signal in response to an illumination of the respective color subsystem through at least one light beam that is let through by the respective bandpass filter and propagates from the measurement object to the tracking system. A "measurement signal" can be understood as an electronic signal. The measurement signal can depend on the incident intensity. The measurement signal can be an electrical current and/or an electrical voltage, for example. The measurement signal can be a continuous or discontinuous signal. Furthermore, the measurement signal can be an analog signal or a digital signal. The color subsystems of a camera can generate the at least one measurement signal independently of one another. The color subsystems of the respective camera can be set up to generate measurement signals in parallel, in particular simultaneously or with a time overlap.
Das Trackingsystem weist mindestens eine Auswerteeinheit auf, welche eingerichtet ist, die Messsignale der Farb-Subsysteme parallel auszuwerten und die Position und Orientierung des Messobjekts zu bestimmen. Unter einer „Auswerteeinheit“ kann dabei allgemein eine elektronische Vorrichtung verstanden sein, welche eingerichtet ist, um von den Farb-Subsystemen erzeugte Messsignale auszuwerten. Beispielsweise können zu diesem Zweck eine oder mehrere elektronische Verbindungen zwischen den Farb-Subsystemen und der Auswerteeinheit vorgesehen sein. Die Auswerteeinheit kann beispielsweise mindestens eine Datenverarbeitungsvorrichtung umfassen, beispielsweise mindestens einen Computer oder Mikrocontroller. Die Datenverarbeitungsvorrichtung kann einen oder mehrere flüchtige und/oder nicht flüchtige Datenspeicher aufweisen, wobei die Datenverarbeitungsvorrichtung beispielsweise programmtechnisch eingerichtet sein kann, um die Farb-Subsysteme anzusteuern. Die Auswerteeinheit kann weiterhin mindestens eine Schnittstelle umfassen, beispielsweise eine elektronische Schnittstelle und/oder eine Mensch-Maschine-Schnittstelle wie beispielsweise eine Eingabe-/Ausgabe-Vorrichtung wie ein Display und/oder eine Tastatur. Die Auswerteeinheit kann beispielsweise zentral oder auch dezentral aufgebaut sein. Auch andere Ausgestaltungen sind denkbar. Die Auswerteeinheit kann mindestens einen A/D-Wandler aufweisen. Das Trackingsystem kann eingerichtet sein, zur Auswertung der Messsignale ein Multiplexing-Verfahren durchzuführen. Die Auswerteeinheit kann eingerichtet sein, die von den Farb-Subsystemen unabhängig und parallel erzeugten Messsignale zu verarbeiten und Informationen aus diesen zusammenzuführen. Durch eine Verwendung eines Multiplexing-Verfahrens kann ein paralleles Auswerten möglich sein. Die Auswerteeinheit kann eingerichtet sein, um 3D-Koordinaten der Marker mittels Triangulation zu bestimmen.The tracking system has at least one evaluation unit which is set up to evaluate the measurement signals of the color subsystems in parallel and to determine the position and orientation of the measurement object. An “evaluation unit” can generally be understood to mean an electronic device that is set up to evaluate measurement signals generated by the color subsystems. For example, one or more electronic connections between the color subsystems and the evaluation unit can be provided for this purpose. The evaluation unit can, for example, have at least one data processor include processing device, for example at least one computer or microcontroller. The data processing device can have one or more volatile and/or non-volatile data memories, it being possible for the data processing device to be set up in terms of programming, for example, to control the color subsystems. The evaluation unit can also include at least one interface, for example an electronic interface and/or a man-machine interface such as an input/output device such as a display and/or a keyboard. The evaluation unit can, for example, be constructed centrally or else decentrally. Other configurations are also conceivable. The evaluation unit can have at least one A/D converter. The tracking system can be set up to carry out a multiplexing method for evaluating the measurement signals. The evaluation unit can be set up to process the measurement signals generated independently and in parallel by the color subsystems and to combine information from them. Parallel evaluation can be possible by using a multiplexing method. The evaluation unit can be set up to determine 3D coordinates of the markers by means of triangulation.
Jedes der Farb-Subsysteme der jeweiligen Kamera kann mindestens eine Optik aufweisen. Die Optiken zweier Farb-Subsysteme der jeweiligen Kamera können identisch oder verschieden ausgestaltet sein. Die Farb-Subsysteme können identische Optiken, insbesondere günstige Standardoptiken, aufweisen. Unter „Optiken“ können beliebige optische Elemente verstanden werden, insbesondere mindestens eine Linse und/oder mindestens ein Linsensystem. Die Farb-Subsysteme können im Wesentlichen das gleiche Messvolumen abdecken. Die Farb-Subsysteme können im Wesentlichen identische Messvolumen abdecken, wobei Abweichungen von einem identischen Messvolumen möglich sind, solange eine ausreichende Schnittmenge der Messvolumina vorliegt. Eine Abweichung von einem identischen Messvolumen kann beispielsweise gerätetechnisch bedingt sein. Unter einem „Messvolumen“ kann ein Volumen verstanden werden, in welchem eine Bestimmung der Position und Orientierung des Messobjekts möglich ist. Eine Trackingfrequenz des Trackingsystems kann einer Auslesefrequenz entsprechen. Ein Farb-Subsystem kann jeweils eingerichtet sein, mindestens einen Marker in einer Einzelbildaufnahme aufzunehmen. Bei einer Verwendung von drei Farb-Subsystemen kann beispielsweise ein paralleles Aufnehmen von drei Markern mit drei voneinander verschiedenen Wellenlängen möglich sein. Unter einer „Trackingfrequenz“ kann verstanden werden, wie schnell bei einem periodischen Vorgang Wiederholungen, d.h. gleiche Einzelbildaufnahmen, also Einzelbildaufnahmen mit identischen Markern, aufeinander folgen. Dabei kann eine Periode soviel Einzelbildaufnahmen aufweisen bis jeder der Marker aufgenommen ist. Beispielsweise können die Zeilenkameras mit einer Frequenz von 2,8 kHz ausgelesen werden. Bei bekannten Trackingverfahren (z. B. 1-aus-n-Code) verringert sich die Trackingfrequenz proportional mit der Anzahl der Marker. So kann beispielsweise bei einer Verwendung von einem Messobjekt mit beispielsweise 35 Markern, welche nacheinander aufgenommen werden, die Trackingfrequenz bei bekannten Trackingverfahren aber nur 80 Hz sein. Die vorliegende Erfindung ermöglicht, durch das parallele Messen und Auswerten von Markern unterschiedlicher Wellenlänge, dass eine Trackingfrequenz proportional zur Anzahl der Farb-Subsysteme vervielfacht werden kann. Das erfindungsgemäße Farb-Multiplexing kann ermöglichen Marker mit verschiedenen Wellenlängen parallel aufzunehmen, da Marker verschiedener Wellenlängen gleichzeitig aktiv sein können ohne sich gegenseitig zu beeinflussen. Bei einer Verwendung von Markern mit beispielsweise drei verschiedenen Wellenlängen kann eine parallele Aufnahme von jeweils drei Markern und eine Verdreifachung der Trackingfrequenz möglich sein. Die Farb-Subsysteme können weiter eingerichtet sein, mehrere Marker pro Farbkanal gleichzeitig aufzunehmen und so eine Trackingfrequenz weiter zu erhöhen.Each of the color subsystems of the respective camera can have at least one lens. The optics of two color subsystems of the respective camera can be configured identically or differently. The color subsystems can have identical optics, in particular inexpensive standard optics. “Optics” can be understood to mean any optical elements, in particular at least one lens and/or at least one lens system. The color subsystems can essentially cover the same measurement volume. The color subsystems can essentially cover identical measurement volumes, with deviations from an identical measurement volume being possible as long as there is a sufficient intersection of the measurement volumes. A deviation from an identical measurement volume can, for example, be caused by the technical equipment. A “measurement volume” can be understood as a volume in which the position and orientation of the measurement object can be determined. A tracking frequency of the tracking system can correspond to a readout frequency. A color subsystem can be set up in each case to record at least one marker in a single image recording. If three color subsystems are used, for example, three markers with three different wavelengths can be recorded in parallel. A "tracking frequency" can be understood as how quickly repetitions, i.e. identical single image recordings, i.e. single image recordings with identical markers, follow one another in a periodic process. In this case, a period can have as many individual image recordings until each of the markers has been recorded. For example, the line scan cameras can be read at a frequency of 2.8 kHz. With known tracking methods (e.g. 1-out-of-n code), the tracking frequency decreases in proportion to the number of markers. For example, when using a measurement object with, for example, 35 markers, which are recorded one after the other, the tracking frequency in known tracking methods can be only 80 Hz. The present invention makes it possible, through the parallel measurement and evaluation of markers of different wavelengths, for a tracking frequency to be multiplied in proportion to the number of color subsystems. The color multiplexing according to the invention can enable markers with different wavelengths to be recorded in parallel, since markers of different wavelengths can be active at the same time without influencing one another. When using markers with, for example, three different wavelengths, it is possible to record three markers in parallel and triple the tracking frequency. The color subsystems can also be set up to simultaneously record a number of markers per color channel and thus further increase a tracking frequency.
Durch eine höhere Trackingfrequenz kann sich ein Interpolationsfehler zwischen zwei Perioden, so genannte Frames, deutlich verringern. Die Farb-Subsysteme können jeweils verschiedene, insbesondere eigene, Optiken aufweisen. Jedes Farb-Subsystem kann ein eigenes Messvolumen definieren. So kann ein Gesamtmessvolumen je nach Bedarf sowohl in Richtung eines des Trackingsystems nahen Endes des Messvolumens, so genanntes Near End, als auch in Richtung eines fernen Endes des Messvolumens, so genanntes Far End, vergrößert werden. Weiter können so kleinere Messvolumina definiert werden, so dass es möglich ist, Hardware-Anforderungen an die Optiken sowie Entwicklungs- und Herstellkosten zu verringern. Bevorzugt können die Farb-Subsysteme jeweils Standardoptiken aufweisen. So kann vermieden werden, anspruchsvolle Zoom-Objektive zu verbauen. Zoom-Objektive können kostenintensiv in der Herstellung sein und wegen der beweglichen Teile auch schwerer zu kalibrieren sein. Die Auswerteeinheit ist eingerichtet, in den Bereichen, in welchen sich die Messvolumina der Farb-Subsysteme überlappen, Messergebnisse per Linearkombination zu konsolidieren.A higher tracking frequency can significantly reduce an interpolation error between two periods, so-called frames. The color subsystems can each have different, in particular their own, optics. Each color subsystem can define its own measurement volume. Depending on requirements, a total measurement volume can be enlarged both in the direction of an end of the measurement volume close to the tracking system, so-called near end, and in the direction of a far end of the measurement volume, so-called far end. Furthermore, smaller measuring volumes can be defined in this way, so that it is possible to reduce hardware requirements for the optics as well as development and manufacturing costs. The color subsystems can preferably each have standard optics. In this way, it is possible to avoid installing demanding zoom lenses. Zoom lenses can be expensive to manufacture and difficult to calibrate because of the moving parts. The evaluation unit is set up to consolidate measurement results using linear combinations in the areas in which the measurement volumes of the color subsystems overlap.
Helligkeit und Größe der Marker des 3D-Messgeräts sind, beispielsweise a priori, an das jeweilige durch die Messvolumina definierte Messfeld anpassbar. Unter einer Größe des Markers kann eine Größe der Licht emittierenden Fläche verstanden werden. Unter einer Helligkeit des Markers kann eine Intensität verstanden werden. Beispielsweise kann das Trackingsystem Kameras mit jeweils drei Farb-Subsystemen, beispielsweise jeweils einem ersten, einem zweiten und einem dritten Farb-Subsystem, aufweisen. Die ersten Farb-Subsysteme können sensitiv für Licht von Markern mit einer ersten Wellenlänge sein. Die zweiten Farb-Subsysteme können sensitiv für Licht von Markern mit einer zweiten Wellenlänge sein. Die dritten Farb-Subsysteme können sensitiv für Licht von Markern mit einer dritten Wellenlänge sein. Die ersten Farb-Subsysteme können ein erstes Messvolumen in einem ersten Nahbereich definieren. Die zweiten Farb-Subsysteme können ein zweites Messvolumen in einem mittleren, weiter entfernten Bereich als das erste Messvolumen definieren. Die dritten Farb-Subsysteme können ein drittes Messvolumen in einem Fernbereich definieren, welches weiter entfernt ist als das zweite Messvolumen. Die Messvolumina können sich zumindest teilweise überlappen. Die Marker mit der ersten Wellenlänge können eine erste Helligkeit und erste Größe aufweisen. Die Marker mit der zweiten Wellenlänge können eine zweite Helligkeit und zweite Größe aufweisen. Insbesondere können die Marker mit der zweiten Wellenlänge heller und/oder größer sein als die Marker mit der ersten Wellenlänge. Die Marker mit der dritten Wellenlänge können eine dritte Helligkeit und dritte Größe aufweisen. Insbesondere können die Marker mit der dritten Wellenlänge heller und/oder größer sein als die Marker mit der zweiten Wellenlänge.The brightness and size of the markers of the 3D measuring device can be adapted, for example a priori, to the respective measuring field defined by the measuring volumes. Below a size of the marker a size of the light-emitting area can be understood. A brightness of the marker can be understood as meaning an intensity. For example, the tracking system can have cameras with three color subsystems each, for example a first, a second and a third color subsystem. The first color subsystems can be sensitive to light from markers with a first wavelength. The second color subsystems can be sensitive to light from markers with a second wavelength. The third color subsystems can be sensitive to light from markers with a third wavelength. The first color subsystems can define a first measurement volume in a first vicinity. The second color subsystems can define a second measurement volume in a central, more remote area than the first measurement volume. The third color subsystems can define a third measurement volume in a remote area that is further away than the second measurement volume. The measurement volumes can at least partially overlap. The first wavelength markers may have a first brightness and first size. The second wavelength markers may have a second brightness and second size. In particular, the markers with the second wavelength can be brighter and/or larger than the markers with the first wavelength. The third wavelength markers may have a third brightness and third size. In particular, the markers with the third wavelength can be brighter and/or larger than the markers with the second wavelength.
Das Trackingsystem kann mindestens eine Flächenkamera aufweisen. Das Trackingsystem kann eine Mehrzahl von Flächenkameras aufweisen, beispielsweise zwei, drei, vier oder mehr Flächenkameras. Die Flächenkameras können jeweils mindestens einen Sensor umfassen, welcher eine Matrix von Pixeln aufweist. Durch zusätzliche Flächenkameras können weitere Informationen über die Umgebung und/oder das Messobjekt gewonnen werden. Weiter können Flächenkameras zusätzliche Trackingverfahren wie modellbasiertes Tracking, beispielsweise wie in Wuest, Harald; Vial, Florent; Stricker, Didier: Adaptive Line Tracking with Multiple Hypotheses for Augmented Reality In: Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE): ISMAR 2005: Proceedings of the Fourth IEEE and ACM International Symposium on Mixed and Augmented Reality. Los Alamitos, Calif.: IEEE Computer Society, 2005, pp. 62-69,
In einem weiteren Aspekt wird ein optisches Messsystem vorgeschlagen. Das optische Messsystem umfasst mindestens ein erfindungsgemäßes Trackingsystem nach einer der vorhergehenden oder weiter unten beschriebenen Ausführungsformen und mindestens ein 3D-Messgerät. Das 3D-Messgerät ist eingerichtet, 3D-Koordinaten eines zu vermessenden Objekts zu bestimmen. Unter einem zu vermessenden Objekt kann ein beliebiges zu vermessendes Objekt verstanden werden, insbesondere ein Bauteil oder Werkstück. Für Einzelheiten und Ausführungsformen in Bezug auf das Messsystem wird auf die Beschreibung des erfindungsgemäßen Trackingsystems verwiesen.In a further aspect, an optical measuring system is proposed. The optical measuring system comprises at least one tracking system according to the invention according to one of the embodiments described above or below and at least one 3D measuring device. The 3D measuring device is set up to determine 3D coordinates of an object to be measured. An object to be measured can be understood to mean any object to be measured, in particular a component or workpiece. For details and embodiments relating to the measurement system, reference is made to the description of the tracking system according to the invention.
Zusammenfassend sind im Rahmen der vorliegenden Erfindung folgende Ausführungsformen besonders bevorzugt:
- Ausführungsform 1: Trackingsystem zur Bestimmung von mindestens einer räumlichen Position und Orientierung mindestens eines Messobjekts, wobei das Trackingsystem mindestens drei Kameras umfasst, wobei die Kameras jeweils an verschiedenen räumlichen Positionen angeordnet sind, wobei die Kameras jeweils mindestens zwei Farb-Subsysteme aufweisen, wobei die Farb-Subsysteme jeweils mindestens einen Bandpassfilter aufweisen, wobei die Bandpassfilter der Farb-Subsysteme der jeweiligen Kamera jeweils verschiedene Durchlassbereiche aufweisen.
- Embodiment 1: tracking system for determining at least one spatial position and orientation of at least one measurement object, the tracking system comprising at least three cameras, the cameras each being arranged at different spatial positions, the cameras each having at least two color subsystems, the color -Subsystems each have at least one bandpass filter, the bandpass filters of the color subsystems of the respective camera each having different transmission ranges.
Ausführungsform 2: Trackingsystem nach der vorhergehenden Ausführungsform, wobei die Kameras Zeilenkameras und/oder Flächenkameras umfassen.Embodiment 2 tracking system according to the previous embodiment, wherein the cameras include line cameras and/or area cameras.
Ausführungsform 3: Trackingsystem nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen, wobei die Farb-Subsysteme jeweils eingerichtet sind, um in Antwort auf eine Beleuchtung des jeweiligen Farb-Subsystems durch mindestens einen von dem jeweiligen Bandpassfilter durchgelassenen und sich von dem Messobjekt zu dem Trackingsystem ausbreitenden Lichtstrahl mindestens ein Messsignal zu erzeugen, wobei die Farb-Subsysteme der jeweiligen Kamera eingerichtet sind, parallel Messsignale zu erzeugen, wobei das Trackingsystem mindestens eine Auswerteeinheit aufweist, welche eingerichtet ist, die Messsignale der Farb-Subsysteme parallel auszuwerten und die Position und Orientierung des Messobjekts zu bestimmen.Embodiment 3: Tracking system according to one of the preceding embodiments, wherein the color subsystems are each set up to, in response to an illumination of the respective color subsystem through at least one light beam passed by the respective bandpass filter and propagating from the measurement object to the tracking system, at least one To generate measurement signal, wherein the color subsystems of each camera are set up to generate measurement signals in parallel, wherein the tracking system has at least one evaluation unit, which a is aimed at evaluating the measurement signals of the color subsystems in parallel and determining the position and orientation of the measurement object.
Ausführungsform 4: Trackingsystem nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen, wobei das Trackingsystem eingerichtet ist, zur Auswertung der Messsignale ein Multiplexing-Verfahren durchzuführen.Embodiment 4 tracking system according to one of the preceding embodiments, wherein the tracking system is set up to carry out a multiplexing method for evaluating the measurement signals.
Ausführungsform 5: Trackingsystem nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen, wobei jede Kamera mindestens ein erstes Farb-Subsystem und mindestens ein zweites Farb-Subsystem aufweist, wobei der Bandpassfilter des ersten Farb-Subsystems eingerichtet ist, Licht einer ersten Wellenlänge durchzulassen und wobei der Bandpassfilter des zweiten Farb-Subsystems eingerichtet ist, Licht einer zweiten Wellenlänge durchzulassen, wobei die erste und die zweite Wellenlänge verschieden sind.Embodiment 5: Tracking system according to one of the preceding embodiments, wherein each camera has at least a first color subsystem and at least a second color subsystem, the bandpass filter of the first color subsystem being set up to transmit light of a first wavelength and the bandpass filter of the second Color subsystems is set up to transmit light of a second wavelength, the first and second wavelengths being different.
Ausführungsform 6: Trackingsystem nach der vorhergehenden Ausführungsform, wobei die erste und die zweite Wellenlänge Wellenlängen im nahen Infrarot-Bereich sind. Embodiment 6: Tracking system according to the previous embodiment, wherein the first and the second wavelength are wavelengths in the near infrared range.
Ausführungsform 7: Trackingsystem nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen, wobei jede Kamera mindestens drei Farb-Subsysteme mit jeweils einem Bandpassfilter mit jeweils verschiedenem Durchlassbereich aufweist.Embodiment 7 Tracking system according to one of the preceding embodiments, each camera having at least three color subsystems, each with a bandpass filter with a different transmission range.
Ausführungsform 8: Trackingsystem nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen, wobei jedes der Farb-Subsysteme der jeweiligen Kamera mindestens eine Optik aufweist, wobei die Optiken zweier Farb-Subsysteme der jeweiligen Kamera identisch oder verschieden ausgestaltet sind.Embodiment 8 Tracking system according to one of the preceding embodiments, each of the color subsystems of the respective camera having at least one optic, the optics of two color subsystems of the respective camera being configured identically or differently.
Ausführungsform 9: Optisches Messsystem umfassend mindestens ein Trackingsystem nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen und mindestens ein 3D-Messgerät, wobei das 3D-Messgerät eingerichtet ist, 3D-Koordinaten eines zu vermessenden Objekts zu bestimmen.Embodiment 9 Optical measuring system comprising at least one tracking system according to one of the preceding embodiments and at least one 3D measuring device, the 3D measuring device being set up to determine 3D coordinates of an object to be measured.
Ausführungsform 10: Optisches Messsystem nach der vorhergehenden Ausführungsform, wobei das 3D-Messgerät ausgewählt ist aus einem Scanner und einem Taster.Embodiment 10 Optical measuring system according to the previous embodiment, wherein the 3D measuring device is selected from a scanner and a probe.
Ausführungsform 11: Optisches Messsystem nach einer der zwei vorhergehenden Ausführungsformen, wobei das 3D-Messgerät mindestens eine Beleuchtungsvorrichtung aufweist, welche eingerichtet ist, eine Mehrzahl von Markern auf einer Oberfläche des 3D-Messgeräts zu erzeugen, wobei mindestens zwei der Marker verschiedene Wellenlängen aufweisen, wobei die Wellenlängen jeweils in einem Durchlassbereich eines der Bandpassfilter liegen.Embodiment 11: Optical measuring system according to one of the two preceding embodiments, wherein the 3D measuring device has at least one lighting device which is set up to generate a plurality of markers on a surface of the 3D measuring device, wherein at least two of the markers have different wavelengths, wherein the wavelengths are each in a passband of one of the bandpass filters.
Ausführungsform 12: Optisches Messsystem nach der vorhergehenden Ausführungsform, wobei eine Helligkeit und/oder Größe der Marker an ein Messfeld des jeweiligen Farb-Subsystems anpassbar ist.Embodiment 12 Optical measuring system according to the preceding embodiment, wherein a brightness and/or size of the markers can be adapted to a measuring field of the respective color subsystem.
Figurenlistecharacter list
Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen, insbesondere in Verbindung mit den Unteransprüchen. Hierbei können die jeweiligen Merkmale für sich alleine oder zu mehreren in Kombination miteinander verwirklicht sein. Die Erfindung ist nicht auf die Ausführungsbeispiele beschränkt. Die Ausführungsbeispiele sind in den Figuren schematisch dargestellt. Gleiche Bezugsziffern in den einzelnen Figuren bezeichnen dabei gleiche oder funktionsgleiche bzw. hinsichtlich ihrer Funktionen einander entsprechende Elemente.Further details and features of the invention result from the following description of preferred exemplary embodiments, in particular in connection with the dependent claims. The respective features can be implemented individually or in combination with one another. The invention is not limited to the exemplary embodiments. The exemplary embodiments are shown schematically in the figures. The same reference numerals in the individual figures designate elements that are the same or have the same function or that correspond to one another in terms of their functions.
Im Einzelnen zeigen:
-
1A und B schematische Darstellungen von Ausführungsbeispielen eines erfindungsgemäßen Trackingsystems; -
2A und2B schematische Darstellungen von Ausführungsbeispielen eines erfindungsgemäßen Trackingsystems; -
3 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen optischen Messsystems; -
4 eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen optischen Messsystems; und -
5 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Trackingsystems.
-
1A and B schematic representations of exemplary embodiments of a tracking system according to the invention; -
2A and2 B schematic representations of exemplary embodiments of a tracking system according to the invention; -
3 a schematic representation of an embodiment of an optical measuring system according to the invention; -
4 a schematic representation of a further embodiment of an optical measuring system according to the invention; and -
5 a schematic representation of an embodiment of a tracking system according to the invention.
Ausführungsbeispieleexemplary embodiments
Das Trackingsystem 110 umfasst mindestens drei Kameras 116, welche in den
Durch eine Verwendung von günstigen Zeilenkameras kann eine kostengünstige Herstellung des Trackingsystems ermöglicht werden. Das Trackingsystem 110 kann eine Mehrzahl von Kameras 116 aufweisen, beispielsweise vier, fünf, sechs, sieben, acht oder auch mehr als zehn Kameras. Durch eine Verwendung von mindestens drei Kameras 116 kann eine Erhöhung der Genauigkeit und Robustheit der Bestimmung der Position und Orientierung des Messobjekts 112 ermöglicht werden, ohne eine Trackingfrequenz zu erhöhen. Die Kameras 116 sind jeweils an verschiedenen räumlichen Positionen angeordnet. Beispielsweise können die Kameras 116 in einem festen Abstand zueinander angeordnet sein. Die Kameras 116 können in einer Ebene angeordnet sein.A cost-effective production of the tracking system can be made possible by using inexpensive line scan cameras. The
Das Trackingsystem 110 kann, wie in
Das Trackingsystem 110 kann mindestens eine Haltevorrichtung 126 zur Befestigung der Messarme 122 bzw. der ringförmigen Fläche 124 aufweisen.The
Die Kameras 116 weisen jeweils mindestens zwei Farb-Subsysteme 128 auf. Beispielsweise kann jede Kamera 116 mindestens drei, vier oder mehr Farb-Subsysteme 128 mit jeweils einem Bandpassfilter mit jeweils verschiedenem Durchlassbereich aufweisen. Beispielsweise kann ein Farb-Subsystem 128 eine Anzahl von Pixeln der jeweiligen Kamera 116 umfassen. Die verschiedenen Farb-Subsysteme 128 einer Kamera 116 können dabei gleiche oder verschiedene Anzahlen von Pixeln aufweisen. Jedes Farb-Subsystem 128 weist mindestens einen Bandpassfilter auf. Der Bandpassfilter kann eingerichtet sein, Wellenlängen außerhalb des Durchlassbereiches zu unterdrücken, insbesondere zu sperren oder zumindest abzuschwächen. Die Bandpassfilter der Farb-Subsysteme 128 der jeweiligen Kamera 116 weisen jeweils verschiedene Durchlassbereiche auf. Die Kameras 116 können jeweils Subsysteme aufweisen, welche in verschiedenen Wellenlängenbereichen arbeiten.
Die Farb-Subsysteme 128 können jeweils eingerichtet sein, um in Antwort auf eine Beleuchtung des jeweiligen Farb-Subsystems 128 durch mindestens einen von dem jeweiligen Bandpassfilter durchgelassenen und sich von dem Messobjekt 112 zu dem Trackingsystem 110 ausbreitenden Lichtstrahl mindestens ein Messsignal zu erzeugen. Die Farb-Subsysteme 128 einer Kamera 116 können unabhängig voneinander das mindestens eine Messsignal erzeugen. Die Farb-Subsysteme 128 der jeweiligen Kamera 116 können eingerichtet sein, parallel, insbesondere gleichzeitig oder zeitlich überlappend, Messsignale zu erzeugen.The
Das Trackingsystem 110 kann mindestens eine Auswerteeinheit 136 aufweisen, welche eingerichtet ist, die Messsignale der Farb-Subsysteme 128 parallel auszuwerten und die Position und Orientierung des Messobjekts 112 zu bestimmen. Beispielsweise können zu diesem Zweck eine oder mehrere elektronische Verbindungen zwischen den Farb-Subsystemen 128 und der Auswerteeinheit 136 vorgesehen sein. Die Auswerteeinheit 136 kann beispielsweise mindestens eine Datenverarbeitungsvorrichtung umfassen, beispielsweise mindestens einen Computer oder Mikrocontroller. Die Datenverarbeitungsvorrichtung kann einen oder mehrere flüchtige und/oder nicht flüchtige Datenspeicher aufweisen, wobei die Datenverarbeitungsvorrichtung beispielsweise programmtechnisch eingerichtet sein kann, um die Farb-Subsysteme 128 anzusteuern. Die Auswerteeinheit 136 kann weiterhin mindestens eine Schnittstelle umfassen, beispielsweise eine elektronische Schnittstelle und/oder eine Mensch-Maschine-Schnittstelle wie beispielsweise eine Eingabe-/Ausgabe-Vorrichtung wie ein Display und/oder eine Tastatur. Die Auswerteeinheit 136 kann beispielsweise zentral oder auch dezentral aufgebaut sein. Auch andere Ausgestaltungen sind denkbar. Die Auswerteeinheit 136 kann mindestens einen A/D-Wandler aufweisen. Das Trackingsystem 110 kann eingerichtet sein, zur Auswertung der Messsignale ein Multiplexing-Verfahren durchzuführen. Durch eine Verwendung eines Multiplexing-Verfahrens kann ein paralleles Auswerten möglich sein. Die Auswerteeinheit 136 kann eingerichtet sein, um 3D-Koordinaten von Markern 138 des Messobjekts 112 mittels Triangulation zu bestimmen.The
Jedes der Farb-Subsysteme 128 der jeweiligen Kamera 116 kann mindestens eine Optik aufweisen. Die Optiken zweier Farb-Subsysteme 128 der jeweiligen Kamera 116 können identisch oder verschieden ausgestaltet sein. Die Farb-Subsysteme 128 können identische Optiken, insbesondere günstige Standardoptiken, aufweisen. Das erste Farb-Subsystem 130 kann ein erstes Messvolumen 150 aufweisen. Das zweite Farb-Subsystem 132 kann ein zweites Messvolumen 152 aufweisen. Das dritte Farb-Subsystem 134 kann ein drittes Messvolumen 154 aufweisen. Das erste Farb-Subsystem 130, das zweite Farb-Subsystem 132 und das dritte Farb-Subsystem 134 können im Wesentlichen gleiche Messvolumen abdecken. Die Farb-Subsysteme 128 können im Wesentlichen identische Messvolumen 150 abdecken, wobei Abweichungen möglich sind, solange eine ausreichende Schnittmenge der Messvolumina vorliegt. Eine Abweichung von einem identischen Messvolumen kann beispielsweise gerätetechnisch bedingt sein. Eine Trackingfrequenz des Trackingsystems 110 kann einer Auslesefrequenz entsprechen. Ein Farb-Subsystem 128 kann jeweils eingerichtet sein, mindestens einen Marker 142 in einer Einzelbildaufnahme aufzunehmen. Bei einer Verwendung von drei Farb-Subsystemen 128 kann beispielsweise ein paralleles Aufnehmen von drei Markern 142 mit drei voneinander verschiedenen Wellenlängen möglich sein. Durch das parallele Messen und Auswerten von Markern 142 unterschiedlicher Wellenlänge kann eine Trackingfrequenz proportional zur Anzahl der Farb-Subsysteme vervielfacht werden. Durch eine höhere Trackingfrequenz kann sich ein Interpolationsfehler zwischen zwei Perioden von Einzelaufnahmen, sogenannte Frames, deutlich verringern.Each of the
BezugszeichenlisteReference List
- 110110
- Trackingsystemtracking system
- 112112
- Messobjektmeasurement object
- 114114
- 3D-Messgerät3D measuring device
- 116116
- Kameracamera
- 118118
- horizontale Zeilenkamerahorizontal line scan camera
- 120120
- vertikale Zeilenkameravertical line scan camera
- 122122
- Messarmmeasuring arm
- 124124
- Flächesurface
- 126126
- Haltevorrichtungholding device
- 128128
- Farb-Subsystemcolor subsystem
- 130130
- erstes Farb-Subsystemfirst color subsystem
- 132132
- zweites Farb-Subsystemsecond color subsystem
- 134134
- drittes Farb-Subsystemthird color subsystem
- 136136
- Auswerteeinheitevaluation unit
- 140140
- optisches Messsystemoptical measuring system
- 142142
- Markermarker
- 144144
- erster Markerfirst marker
- 146146
- zweiter Markersecond marker
- 148148
- dritter Markerthird marker
- 150150
- erstes Messvolumenfirst measurement volume
- 152152
- zweites Messvolumensecond measurement volume
- 154154
- drittes Messvolumenthird measurement volume
- 156156
- Flächenkameraarea camera
- 158158
- Retroreflektorretroreflector
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